0 引 言
延时调节设施作为重要的径流雨水调蓄设施之一，在对径流峰值流量削减的基础上，进一步延长径流在设施内的滞留时间，从而同时实现对雨水径流污染的控制。20世纪60年代末，北美部分城市的雨水管理实践中应用调节设施对径流流量进行调控；80年代初，美国提出用于水质控制的延时调节设施并对其展开研究，发现设施对TSS、TN、TP和重金属都有良好的去除效果；90年代初—90年代末，通过理论和实践对延时调节的设计标准和方法进行大量的研究并推广应用；20世纪90年代末—21世纪初，多个州、市对适合本地不同类型的延时调节设施的设计标准和方法进行研究，并写入当地的雨水管理手册，将其作为管控雨水的重要措施而广泛使用[1]。国内有学者对延时调节技术的功能等进行了研究，但对多目标延时调节技术的设计方法及其应用研究开展较少。葛裕坤等[2]对延时调节设施进行了系统介绍，阐述了其在内涝防治和水质控制方面的效果；李俊奇等[3]提出了有限差分法计算延时调节设施规模的方法并验证了其精确度。基于以上研究，本文着重对延时调节设施的设计方法及程序展开探究，以期为延时调节设施的设计和应用提供参考。
1 延时调节设施控制目标的确定
1.1 峰值流量控制
峰值流量控制强调对径流较大的瞬时流量进行控制，其主要目标包括：1)对汇流区域的雨水径流进行集蓄滞留，延长汇流的峰现时间，实现错峰排放，同时减少河道水位过高对排水管网的水位顶托；2)控制较高流量的径流以减少超过下游管网排水能力的径流漫溢，缓解下游管网的排水压力；3)对较高流量的径流进行消能，减少其对水体、湿地等自然环境和基础设施等的侵蚀。延时调节设施根据峰值流量控制的目标不同，其布设位置和具体控制标准也不尽相同，如表1所示。
表1 延时调节设施峰值流量控制不同目标下的
布设位置和控制标准
Table 1 Layout location and control standards for extended detention facilities with different targets of peak flow control
控制目标布设位置控制标准收集汇水区域径流并滞留,延长峰现时间,错峰排放积水点附近汇流区域规定重现期条件下径流雨水的峰值流量不大于开发前减少径流漫溢,提高下游排水管网的排水能力排水管网系统中下游管网排水设计重现期条件下的最大排水能力对雨水径流进行消能处理,减少下游水体、湿地等自然环境和基础设施等受到的侵蚀易受侵蚀的水体、湿地、基础设施等之前下游水体、湿地等自然环境或基础设施等受到侵蚀的临界流量值
1.2 径流污染控制
雨水径流污染控制的最终目的是维持或提高末端接收雨水径流的河流、湖泊等水体的水环境质量，因此控制雨水径流污染的本质是控制径流中排放至受纳水体的污染物总量不超过受纳水体的污染物容量。
在确定延时调节设施的径流污染控制目标前，首先明确延时调节设施需控制的污染物总量。一般来讲，延时调节设施多是与其他径流雨水源头减排设施联合使用，因此，延时调节设施控制的径流污染物总量，应是在其服务的汇流区域内拟控制的污染物总量中，扣除其他源头减排设施径流污染物控制量和该区域排放的径流污染物总量限制，见式(1)。
Ma=Mx-Mb-Mc
(1)
式中：Ma为延时调节设施需控制的径流污染物总量，g；Mx为延时调节设施所服务汇流区域内拟控制的径流污染物总量，g；Mb为该区域其他设施控制的径流污染物总量，g；Mc为该区域排放的径流污物总量限值，g。
延时调节设施对雨水径流污染控制主要是通过对部分径流进行长时间滞留，将其中较大的固体颗粒通过沉淀去除，同时将吸附在颗粒上的其他污染物一并去除。设施的污染控制标准常用径流污染控制体积(水质控制体积)来表征，如式(2)所示。
Ma=η·Vb·ρ
(2)
式中：η为设施的污染物平均削减率，%；Vb为需要控制的雨水径流体积，m3；ρ为污染物的平均浓度，g/m3。
影响延时调节设施污染物削减率的主要因素为设施的类型和径流在设施内的停留时间。表2给出了不同类型延时调节塘的径流污染物平均削减率[4-5]。
表2 不同类型延时调节塘的径流污染物平均削减率
Table 2 Average reduction rate of runoff pollution for different types of extended detention facilities
设施类型TSS/%TP/%TN/%金属/%干式延时调节塘60352525浅式延时调节湿地75453050微型延时调节塘80553050湿式延时调节塘80553050
设施类型确定的条件下，径流污染物削减率主要受径流在设施内的滞留时间(排空时间)的影响。相关实验表明，干式延时调节塘12 h的滞留时间可以去除65%的TSS，40 h滞留时间可以去除82%的TSS[6]。
当设施的污染物削减率确定后，根据设施拟控制的径流污染总量得到相应的径流污染控制体积，作为对设施规模及其具体尺寸确定的主要依据。
2 延时调节设施类型选择及其布设位置选择
2.1 设施的类型及其适用性
延时调节设施根据其功能、空间位置等不同，可以分为多种类型。表3总结了几种典型延时调节设施的径流控制功能、布设位置和适用条件。
表3 不同类型延时调节设施的控制功能、布设位置和适用条件
Table 3 Control functions, setting positions and applicable conditions for different types of extended detention facilities
设施类型径流控制功能布设位置径流污染峰值流量在线/离线地上/地下上游/下游适用条件微型延时调节塘高中均可地上上游常用于小降雨事件,且考虑场地条件受限、居民生命财产安全存在风险,大型调节设施不适用时干式延时调节塘低高均可地上均可提高水质,削减峰值,可以与湿地联合使用湿式延时调节塘高高均可地上均可对水质的提高有进一步要求,控制峰值流量浅式延时调节湿地中低在线地上上游场地末端进行水质处理,可做成阶梯状,不适宜面积较大的区域多功能延时调节设施高高离线地上下游城市中空间有限,利用已有的公园、广场等开放空间延时调节池低高均可地下均可地面空间有限
2.2 设施布设位置选择
延时调节设施要在满足区域规划的要求下进行布设，除应满足一般调蓄设施的布设原则外，还需考虑以下原则：
1)优先在“源头”分散布设。在区域的“源头”位置分散布设延时调节设施，可提高集蓄效率，降低下游管道内沉积的污染物负荷；同时可减少下游管网排水能力不足而出现的漫溢情况。因此，在区域较大的范围内布设延时调节设施时，相比区域的末端位置集中布置，在“源头”分散布设延时调节设施对区域雨水径流的控制效果更优。
2)因地制宜，利用区域的低洼区。在区域分散的“源头”位置利用低洼区布设延时调节设施，充分利用区域的竖向特征收集雨水径流进行集中调蓄，降低建设成本。
3)靠近易受侵蚀和污染的地区。识别易受侵蚀和污染的区域(如建设开发场地、裸露地表和敏感水体等)，在其附近布设延时调节设施，对雨水径流进行调控，保护其免受径流的侵蚀和污染。
4)规避管网交汇节点处的峰值流量叠加。延时调节设施能够延迟雨水径流的峰现时间，利用其延峰的功能对易在管网汇合节点处出现的峰值流量叠加进行错峰调节；同时避免布设延时调节设施后在下游汇合节点处出现峰值流量叠加的情况。
根据区域整体的规划方案结合上述布设原则进行设施的合理布设，使其与其他技术设施共同发挥对区域雨水径流的综合管控作用。
3 延时调节设施的构造和参数设计
延时调节设施的设计合理与否对径流雨水的控制效果影响较大。以延时调节塘为例对其构造及参数设计进行分析，其构造如图1所示。
图1 延时调节塘结构示意
Fig.1 Schematic diagram of the extended detention pond’s structure
延时调节塘为地上敞开式的延时调节设施，其组成主要包括进水口、前置沉淀池、主塘、微流通道、出水设施、微型池、紧急溢洪道几个部分[7]，分别探究各部分的构造和参数设计。
3.1 进水口
延时调节塘常见的进水方式有3种：地表沟渠进水、管道进水、地表沟渠和管道同时进水。进水方式选择主要根据上游管网及汇水面等情况确定。进水口处需采取消能措施(如碎石)，减少入流对塘体的侵蚀。
3.2 主 塘
主塘是延时调节设施的重要组成部分，常设置成矩形、椭圆形或三角形，其设计参数主要有容积V、长度L、宽度B、深度h和边坡坡度n。
主塘面积根据其服务的汇水区域面积和场地建设条件合理确定(见表4)；依据主塘的面积设计长度L和宽度B，适当增加长度L有利于增强设施对径流污染的控制效果；塘体边坡尽量采用草皮等生态护坡，坡度的选取考虑其安全稳定性，需综合主塘所在区域的水文、地质等条件确定。
主塘容积的设计计算是主塘乃至延时调节塘最重要的设计部分。根据延时调节塘的径流污染控制目标和径流峰值流量控制目标，主塘容积至下而上由径流污染控制容积(水质控制容积)和各级峰值流量控制容积组成(如图1中各控制调节水位对应的容积)。
在进行主塘径流污染控制容积的计算时，由于其要求的径流停留时间较长，对应的出流量很小，因此可以在入流的过程中忽略出流量，近似地将径流污染控制目标对应的径流总体积作为设施的径流污染控制容积来设计，如式(3)所示。
V0=C0H0A0
(3)
式中：V0为污染控制的径流目标体积，m3；C0为径流系数；H0为设施调蓄的径流深度，m；A0为设施服务区域的面积，m2。其中，设施调蓄的径流深度H0的确定最为关键，对于H0的确定方法可以概括为3种：1)通过研究设施容积与径流控制率的关系变化规律找到径流污染物总量控制效益最大化对应的年场次控制率下的径流深度；2)根据污染物在径流中的浓度变化规律求得能够控制所需污染物去除率对应的径流深度；3)场地开发前自然状态下年均下渗量对应的径流深度。
对于主塘峰值流量控制容积的计算，一般通过对该时间段内入流流量和出流流量差值进行积分计算得到峰值流量控制容积，如式(4)所示。
V=
(I-O)dt
(4)
式中：V为延时调节塘主塘的容积，m3；I为进水口的流量，m3/s；O为出水口的流量，m3/s；t为径流流行时间，s。为了保证计算精度，式(4)的求解建议使用有限差分法，具体计算方法可参考文献[8]。在求解过程中，涉及主塘的“容积-水位”关系曲线和“出流量-水位”关系曲线，而“出流量-水位关系”通过对出水口的初步设计得到，因此主塘的容积计算和出水口的设计可同步进行。计算得到主塘的容积V后，即可结合底面积和边坡坡度n，进一步求得主塘的深度h。
3.3 出水设施
延时调节塘径流峰值流量和污染控制的功能及其目标主要利用出水口限制出流量来实现，通过将较高流量的入流转化为较低流量的出流达到削减径流峰值流量和延峰的目的；通过更低的流量限制使径流在设施内滞留较长的时间以将径流中的部分污染物沉淀去除。出水设施为带有矩形口或圆形口的箱式结构或立管结构，多个出水口自下而上分别对应径流污染控制容积和各级峰值流量控制容积。出水设施的主要参数为各级出水口的尺寸和位置，其设计宜与主塘的容积设计同步进行，设计步骤如下：
1)根据设施径流污染控制的目标停留时间确定径流污染控制出水口的流量限值，并根据设施的峰值流量控制目标确定峰值流量控制出水口的个数及对应的流量限值。
2)根据步骤1)中确定的流量限值初步假设各级出水口的横截面积大小，并由出流量与水位、横截面积的关系式[3]确定各级出水口距离底部的位置高度h1、h2、h3…的值。
3)将“出流量-水位”关系加入主塘的容积演算过程进行演算分析，得到的最大水深hm即为相应出水口的位置高度。
4)比较hm和各级出水口的初设位置高度，若存在较大偏差，则作适当修正并重复上述2)、3)步骤。
5)当得到的最大水深hm和各级出水口的初设位置高度的偏差在可接受的范围内，确定各级出水口的位置高度，并根据横截面积合理确定各级出水口的尺寸。
3.4 紧急溢洪道
紧急溢洪道用来处理超过出水设施排放能力的径流，避免积聚的径流越过堤坝对下游造成更大破坏。一般来说，其设计降雨重现期至少为50 a，其他设计参数包括底宽Bn、高度hn、纵坡坡度S和边坡坡度n0。其设计步骤如下：
1)确定紧急溢洪道的设计流量，即利用紧急溢洪道设计重现期降雨对应的最大入流量和出水设施的最大排放量计算得到紧急溢洪道的设计流量。
2)根据当地地形和土壤条件确定纵坡坡度S，边坡坡度n0和曼宁粗糙系数C。
3)利用曼宁方程和流量-流速方程得到溢洪道的底宽Bn和高hn的关系[9]:
式中：C为曼宁粗糙系数；S为溢洪道的纵向坡度；hn为溢洪道的高度，m；Bn为溢洪道的底宽，m；n0为溢洪道的边坡坡度；Q0为紧急溢洪道的设计流量，m3/s。
4)依据地形条件合理选择Bn和hn值。
3.5 前置沉淀池
前置沉淀池的主要作用是对雨水径流中的污染物进行初次沉淀，以减少主塘的污染物削减负荷，因此其设计主要考虑其对径流中大颗粒污染物的沉淀。前置沉淀池常设置成规则形状，通过溢流堰与主塘连接。主要设计参数包括池体容积Vs、池高(堰高)Hs、池长Ls、池宽Bs和边坡坡度ns。
前置沉淀池主要针对径流污染，因此其容积Vs和主塘的径流污染控制容积有关，一般设计为径流污染控制容积的1%～3%[10]；边坡坡度ns一般设置为1∶2～1∶8[11]；池高(堰高)Hs等于湿式延时调节塘的常水位高度或干式延时调节塘径流污染控制容积对应的水位高度；在设计Ls时，依据所需沉淀的污染物粒径进行，根据进水口和溢流堰顶相对位置的高低分为2种情况对Ls进行讨论：
1)进水口位置低于溢流堰堰顶。
池体进水口位置低于堰顶时，通过进水口的所有可沉降污染物颗粒均可在前置沉淀池沉降，其结构和污染物颗粒的运动过程如图2a所示。
图2 前置沉淀池结构示意
Fig.2 Schematic diagram of the pre-precipitation tank
此时Ls不受限制，根据地形、空间条件合理设计即可。
2)进水口位置高于溢流堰堰顶。
池体进水口位置高于堰顶时，进入池体的径流中携带的污染物颗粒部分沉淀下来，部分则越过堰顶进入主池中，其结构和污染物颗粒的运动过程如图2b所示。此时需要确定所要去除的最小污染物颗粒(临界颗粒)的尺寸，大于该尺寸的污染物颗粒均可以沉淀下来，其余污染物颗粒则随径流进入主塘中。根据沉淀理论[12]得到临界颗粒尺寸大小Ds、进水口与堰顶距离Hw和最小池长L0的关系：
式中：L0为前置沉淀池池长最小值，m；Q为设计进水流量，m3/s；A为进水管横截面积，m2；ρs为临界颗粒密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；D0为目标颗粒的直径，m；ρw为水流密度，kg/m3；Cd为阻力系数。
此时前置沉淀池的池长Ls需要满足Ls≥L0。
根据得到的池体体积Vs、池高(堰高)Hs和池长Ls求得池宽Bs。池体底部需要设置排空管来排空径流，其管径设计应满足表4的要求。
3.6 微流通道
对于干式延时调节塘来说，通常情况下塘内处于干燥状态，对于雨后前置沉淀池中的径流和主池内残余的径流需要通过微流通道输送到微型池中。微流通道是主塘底部一条连接前置沉淀池和微型池的明渠，其断面一般为梯形或抛物线形，宜将其做成混凝土、石砌等防冲刷结构，同时方便进行清理和维护。微流通道的坡度不宜太大，以促进径流中的污染物沉降，一般可设计为0.4%～1%，具体尺寸根据前置沉淀池的底部出流量确定，保证其排水能力大于前置沉淀池底部出水口的出流能力。
3.7 微型池
微型池是设置在出水设施之前的小型下凹池，其作用是防止出水孔前的格栅被堵后径流无法排除。池内的斜管与被堵塞的格栅、孔壁一起形成倒置的虹吸管，其结构如图3所示。
图3 微型池结构示意
Fig.3 Schematic diagram of the micro pool structure
在径流向下流向微型池的过程中，为保持悬浮物的稳定，对悬浮物进行受力平衡分析[13]，得到微型池的表面积Am满足：
式中：Am为微型池表面积，m2；ρs为悬浮物密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Dd为允许流过穿孔板的最小粒径，m；ρw为水流密度，kg/m3；Cd为阻力系数；Vm为主塘的径流污染控制容积(水质控制容积)，m3；T为排空时间，h。
微型池深度Hm由斜管外底到微型池顶部的距离、斜管管口的安全距离、微型池池底沉积物的堆积深度和池体的蒸发深度4部分组成，分别进行设计最后得到Hm；微型池中斜管管径大小的设计与径流污染控制容积对应的出水孔口设计方法相同[3]。
表4总结了延时调节各部分构造的形状、主要设计参数以及部分参数的工程经验值，供设计参考[4, 9]。
表4 延时调节塘各部分设计参数及其工程经验值
Table 4 Design parameters and engineering experience values of each part of the extended detention pond
组成部分形状主要设计参数工程经验值主塘矩形、三角形、椭圆形容积V;长L;宽B;深度h;边坡坡度n深度h≤3 m;长宽比至少为3∶2出水设施圆形或矩形孔口孔口位置h;孔口尺寸L、B;排空时间T排空时间t为40 h紧急溢洪道倒梯形深度hn;纵坡坡度S;边坡坡度n0;底宽Bn边坡坡度n0不能陡于1∶3(垂直∶水平)前置沉淀池规则形状容积Vs;池长Ls;池宽Bs;池高(堰高)Hs;边坡坡度ns容积Vs为主塘径流污染控制容积的1%～3%;堰高Hs为1.2～2.4 m;底部排空管满足排水流量为溢洪道排水量的2%微流通道倒梯形通道深h0;通道坡度S0当通道为土质结构时,深度h0为0.4～0.5 m;坡度S0为0.4%～1%微型池矩形表面积Am;深度Hm 表面积Am最小为1 m2;斜管管口到池底的最小距离为0.7～0.8 m
4 延时调节设施设计程序
延时调节设施的设计程序需从区域角度出发，首先对区域雨水径流的产汇流过程进行水文水力分析，确定径流峰值流量和污染的控制目标，然后由目标选择合适的设施类型并进行合理布设，再根据具体的控制标准对设施各部分的构造和参数进行设计。以延时调节塘为例，其设计程序如图4所示。
延时调节设施的设计在上述内容的基础上还要结合当地的条件来进行。设施布局时，充分利用区域的竖向条件，在地势较低的地方布设设施以提高径流的收集效率；设施面积和长宽比等的设计除了考虑设施的作用效果外，还要结合地区总体规划和空间条件，设施的构造和相关参数有时需要根据地形坡度和上下游的位置方向进行相应调整以充分发挥其径流的控制效果；设施的植物选择，应优先采用当地的植物品种，更好地发挥其生态景观功能。设置周边还应留出清淤车辆行走的通道和用于淤泥及植物收割时的临时堆放场地。
5 结 论
1)延时调节设施能够实现雨水径流峰值流量和污染的同时控制，设计前要首先明确设施的控制目标和标准。注意区分不同峰值流量控制目标的标准及其确定方法；径流污染控制目标需根据设施的污染物总量、污染物削减率和径流污染物浓度综合确定。
2)延时调节塘的组成主要包括进水口、前置沉淀池、主塘、微流通道、出水设施、微型池和紧急溢洪道。设施对径流峰值流量和污染的联合控制主要通过利用主塘及各部分的容积和多级出水口对径流进行分级控制来实现，其主塘容积包括径流污染控制容积和各级径流峰值流量控制容积，计算方法各异。污染控制容积根据设施的污染控制目标对应的径流总体积确定；各级径流峰值流量控制容积则根据目标对应重现期下入流和出流流量过程曲线积分确定。控制径流出流的多级出水口的设计可根据流量限值初设其尺寸，再代入主塘容积的有限差分试算求解。设施各部分按照“主塘和出水设施→紧急溢洪道→前置沉淀池→微流通道→微型池”的顺序进行设计。
3)延时调节设施根据空间位置和功能目标的不同可以分为延时调节塘、延时调节池等多种类型，根据其是否长期蓄水水又分为干式和湿式等，设计时需根据控制目标并结合场地条件、区域景观要求等合理选择。设施的区域布设原则主要有：优先在“源头”分散布设；因地制宜，利用区域低洼区；靠近易受侵蚀和污染的地区；规避管网交汇节点处的峰值流量叠加等。需结合区域整体的规划方案和上述原则对设施进行合理布设。
4)延时调节设施是构建海绵城市绿色基础设施的有效技术手段，对区域径流流量和污染联合控制，以及水环境、水安全、水生态等多目标城市雨水系统构建有着重大意义，在城市雨水管理领域和海绵城市建设中具有广泛的应用前景。
图4 延时调节塘设计程序
Fig.4 Design procedure of the extended detention pond
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